Mast cell carboxypeptidase A in mast cell development and function - Untersuchungen zur Entwicklung und Funktion von Mastzellen
Seit Entdeckung der Mastzellen vor über 130 Jahren durch Paul Ehrlich wird viel über ihre Rolle bei physiologischen und pathologischen Prozessen spekuliert. Allergiker nehmen in erster Linie die pathologische Seite dieser Zellen wahr. Nach Allergenkontakt (z.B. Pollen oder bestimmte Lebensmittel) schütten Mastzellen innerhalb von Sekunden große Mengen bioaktiver Substanzen (z.B. Histamin) aus, welche die bekannten Symptome wie Jucken, Rötungen und Schwellungen auslösen. Ebenso wie die physiologische Funktion ist auch die Entstehung und Entwicklung der Mastzellen im Körper noch sehr wenig erforscht. Erst 1975 gelang Yukihiko Kitamura der Nachweis, dass Mastzellen von hämatopoetischen Stammzellen des Knochenmarks abstammen und daher zu den Zellen des Blut- und Immunsystems gehören. 1996 entdeckte das Labor von Hans-Reimer Rodelwald die erste Mastzell-Vorläuferzelle. Reife Mastzellen findet man im gesunden Organismus ausschließlich im Gewebe, nicht aber im Blut oder im Knochenmark. In welchem Vorläuferstadium die Zellen das Knochenmark verlassen, um dann nach Transport über das Blut die Gewebe zu besiedeln, ist weitgehend unbekannt.
In seiner Dissertation hat der Preisträger Dr. Thorsten Feyerabend vom Institut für Immunologie des Universitätsklinikums Ulm eine Strategie entwickelt, solche bislang unsichtbaren Vorläufer der Mastzellen zu markieren, sodass diese nun isoliert und untersucht werden können.
Ausgehend von Vorexperimenten der Arbeitsgruppe konnte vermutet werden, dass ein bestimmtes Eiweiß reifer Mastzellen, das Protein Mastzell-Carboxypeptidase A (Mc-cpa), auch in Mastzell-Vorläufern produziert wird. Dieses Protein wird jedoch unzugänglich im Zellinnern in sogenannten Speichergranulen gelagert. „Ziel der Markierungsstrategie war es deshalb, das Gen für das Mc-cpa Protein gegen die Gensequenz eines Markerproteins auszutauschen,“ erläutert Thorsten Feyerabend. „Das Markerprotein erscheint aufgrund seines Designs auf der Zelloberfläche und wird somit von außen zugänglich. Markierte Zellen können dann mit spezifischen Antikörpern und Fluoreszenzfarbstoffen sichtbar gemacht werden.“
Nach erfolgreichem Gen-Austausch in der Maus ist es nun gelungen, markierte Vorläuferzellen aus dem Knochenmark und einem weiteren immunologischen Organ, der Milz, zu isolieren. Erste Experimente zeigten, dass diese Zellen tatsächlich mit hoher Frequenz zu Mastzellen reifen können und in der Entwicklung eng verwandt sind mit Neutrophilen Granulozyten, nicht jedoch wie bisher oft vermutet mit Monozyten und Makrophagen.
Zukünftige Experimente mit dieser neu generierten Maus sollen z.B. klären, ob die bei verschiedenen Krankheiten, wie z.B. der rheumatischen Arthritis, beobachtete Ansammlung von Mastzellen im entzündlichen Gewebe auf einer lokalen Vermehrung bereits vorhandener Mastzellen, oder auf einer erhöhten Einwanderung unreifer Vorläufer basiert. Aus den Arbeiten des Preisträgers über das Protein Mastzell-Carboxypeptidase A und in diesem Zusammenhang hergestellten Mausmutanten geht auch hervor, dass dieses Protein offensichtlich in enger Wechselwirkung mit Heparin steht. Heparin ist ein Molekül, das in komplexen Synthese- und Modifizierungsschritten aus bestimmten Zuckern und zwar ausschließlich in Mastzellen produziert wird. In der Medizin findet es seit langem breite Anwendung zur Verhinderung der Blutgerinnung bei Operationen. In einer internationalen Kollaboration mit der Forschergruppe von Ulf Lindahl (Uppsala, Schweden) konnte Dr. Feyerabend zeigen, dass ein bestimmter Defekt in der Heparinsynthese die Speicherung von Mc-cpa in den Mastzellen verhindert. In Rahmen dieser Untersuchungen ist es dem Forscherteam zudem gelungen das verantwortliche Enzym eines entscheidenden Modifizierungsschrittes in der Heparin Biosynthese zu identifizieren.
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